高效率、低成本ISM频段发送器中的功放

功率放大器类

A类、B类和C类功率放大器

A类功率放大器的信号有一个偏置点，当输入信号幅度改变时，器件消耗的平均电流并不改变。图1中，M1可以看作是幅度为IDC的电流源。


图1. A类功率放大器的结构图

放大器最大输出功率对应的输出阻抗为：

最大输出功率定义为：

　　因此，A类功率放大器的效率最大值为50% [1]。假设，在保证偏置电流为IDC的同时，M1漏极电压摆幅最低可以到地电位。工作在线性电阻区会使A类CMOS功率放大器的实际效率降低到40%以下。这意味着工作电压确定后，为了保持高效，A类功率放大器的偏置电流必须随着输出功率的改变而改变。由于A类功率放大器的偏置点不随输入信号的改变而改变，所以在注重增益的线性度的应用中，此类功率放大器是最佳结构。

　　B类和C类功率放大器与A类相比，可以实现更高效率，但通常输出功率较低，并且有较大失真。

　　A类、B类和C类功率放大器的共同特点是有源器件被视作电压控制电流源，并且不希望其工作在线性电阻区。

D类、E类和F类功率放大器

　　与A类、B类和C类功率放大器相反，D类、E类和F类CMOS功率放大器通过工作在线性电阻区来优化效率和输出功率。这些功率放大器通常被称作"开关模式"功率放大器。因为这些功率放大器可以在低工作电压下实现高效率，所以被广泛用于ISM频段的收发装置。图2所示，在开关模式的功率放大器中，输出级电路由大信号方波驱动。

图2. 开关模式功率放大器的结构图

　　可以把输出级晶体管看作一个按照设定频率、占空比进行开关操作的电阻。从图2还可以看出，输出级晶体管含有丰富的谐波成分。这些谐波成分取决于驱动信号的占空比和幅度、场效应管的导通电阻和功率放大器的负载电阻。在D类功率放大器中，通过改变输入信号的占空比改变输出功率，即脉宽调制模式(PWM)。D类功率放大器通常用于输出功率连续变化的音频领域。

　　对于E类功率放大器，输入信号的占空比恒定不变。匹配网络用于最小化输出级开关导通时的漏极电压。通过最小化输出级开关的导通压降，可以降低开关管的损耗，提高PA的整体效率。

　　F类功率放大器与E类功率放大器相似，但设计匹配网络时要特别注意谐波阻抗，以实现最高效率。因为要考虑谐波电阻，F类功率放大器匹配网络设计一般更复杂。

开关模式功率放大器

　　所有Maxim的CMOS ISM频段收发器都提供漏极开路的功放输出。在整个300MHz到450MHz频段内，占空比固定在25%。用户根据所要求的输出功率、电流损耗和谐波参数来设计匹配网络。

图3是开关模式功率放大器输出级的简单模型。


图3. 开关模式功率放大器的简化模型

　　图中，Rsw是场效应管的导通电阻，Cpa是等效的器件寄生电容总和，Cpkg是封装电容，Cboard是板上电容。表1列出了Maxim ISM频段主要收发器件的开关电阻和电容值。

表1. 开关电阻和电容值

Part	Description	Rsw (, typ)	Cpa + Cpkg + Cboard (pF)
MAX1472	ASK transmitter	22	2.2
MAX7044	ASK transmitter	11	2.6
MAX1479	ASK/FSK transmitter	22	2.3
MAX7030	ASK transceiver	22	2.4
MAX7031	FSK transceiver	22	2.4
MAX7032	ASK/FSK transceiver	22	2.4

　　注意：开关导通电阻的典型值对应于VDD = 2.7V的工作电压；另外，板上寄生电容受布线影响很大。E类、F类功率放大器和匹配网络的设计可以参照文献[2,3,4]，读者可以利用这些资料作为技术背景。考虑到本文篇幅，这里只能提及两点：首先，匹配网络的设计必需使功率放大器的效率最高；其次，输出级导通压降较低时，功率放大器的效率最高。

开关模式功率放大器的仿真

　　在许多低成本ISM频段应用中，系统工程师可能受设计周期、费用、系统复杂度的限制而无法对匹配网络进行优化。小尺寸(高Q值)、价格便宜的天线在发射较高频率时通常有较高效率，但是射频调整电路限制了发射信号的谐波成分。所以匹配网络对谐波分量的抑制尤为重要。考虑到这些因素，我们在分析功率放大器时假定输出匹配网络已经过优化，输出电压为正弦信号。如图4所示。

图4. 开关模式功率放大器的波形

假设功率放大器的负载电